Bourbaki

Google 翻译生成的粗略草稿,质量较低。术语依照术语表,但句子可能有误;之后会由仔细的译文取代。

§ 5。凸面分离集合

1. Hahn-Banach 定理(几何形式)

定理 1(哈恩-巴纳赫) 07FI

— *设 A 为拓扑向量空间 E 的开凸非空集,并令 M 为不满足 A 的非空线性簇。则存在闭超平面 H,其中包含 M 且不满足 A。

引用了 3

引用了 I § 2. 。拓扑中的线性簇向量空间, II § 2. 。凸面集合, II § 3. 。哈恩-巴纳赫定理(分析形式)

通过翻译,问题可以简化为0∈A0 \in A,因此AA是吸收性的。 令 pp 为AA (II, p. 20) 的*规格*,使得AA 为点 x∈Ex \in E 的集合,从而p(x)<1p(x) < 1。 另一方面,令VV为MM生成的EE的向量子空间;因此MM是VV中的超平面,而不是包含00,因此VV上有一个唯一的线性形式ff,使得MM是点的集合 y∈Vy \in V f(y)=1f(y) = 1。 因此,假设M∩A=∅M \cap A = \varnothing意味着对于所有y∈Vy \in V(其中f(y)=1f(y) = 1),我们有p(y)⩾1p(y) \geqslant 1;由于 ff 和 pp 是正齐次的,因此对于所有 y∈Vy \in V,我们有 f(y)⩽p(y)f(y) \leqslant p(y),使得 f(y)>0f(y) > 0;最后,对于所有y∈Vy \in V,我们看到f(y)⩽p(y)f(y) \leqslant p(y)对于所有p(y)⩾0p(y) \geqslant 0,对于*所有*y∈Vy \in V。 通过 Hahn-Banach 定理 (II, p. 22, 第 1) 的分析形式,EE 上存在线性形式 hh,其中扩展 ff 并且对于所有 x∈Ex \in E, h(x)⩽p(x)h(x) \leqslant p(x)。 令 HH 为 EE 中的超平面,并使用等式 h(x)=1h(x) = 1。 显然H∩V=MH \cap V = M和H∩A=∅H \cap A = \varnothing。 另一方面,EE包含中HH的补集是开非空集AA,因此HH在EE中是*闭*的(I,p. 11,推论)。

Q.E.D.

注 1 07FJ

当0∈M0 \in M时,th。 1 可以表述如下:E* 中存在*连续的线性形式,*使得* g(x)=0g(x) = 0 in MM 和 g(x)>0g(x) > 0 in AA(II,p. 8,命题 4)。

引用了 1

引用了 II § 2. 。凸面集合

注 2 07FK

如果我们应用定理 1 到 EE 带有最好的局部凸拓扑 (II, p. 25, 例 2),并且如果为了简单起见,我们假设 0∈A0 \in A,那么我们得到以下结果(表面上不涉及拓扑) : 如果AA是实向量空间EE中的*吸收性*凸集合,并且如果MM是不满足AA的非空线性簇,则存在超平面HH包含于 MM 且AA 位于HH 的一侧。此结果不适用于每个凸集合 AA(II、p. 65、练习 5)。

引用了 1

引用了 II § 4. 。局部凸空间

2. 拓扑向量空间中凸集合的分离

定义 1 07FL

— 真实拓扑向量空间 EE 的两个非空集合 A,BA, B 被认为由闭超平面 HH if AA 包含在由 HH 和确定的闭半空间之一中BB 包含在另一个封闭的半空间中。

定义 2 07FM

— 实拓扑向量空间的两个非空集合 A,BA, B 被认为是被闭超平面 HH 如果 AA 包含在由 HH确定的开半空间之一中,*并且* BB 包含在另一个中打开半空间。

命题 1 07FN

— 设 AA 为实拓扑向量空间 EE中的开非空凸集合,并让* BB *为非空凸集合; 如果AA*不满足*BB*则存在一个封闭的超平面将*AA*与*BB分开。

引用了 1

引用了 II § 2. 。凸面集合

对于集合 C=A−BC = A - B 是开、凸(II、p. 9,道具 7)且非空,也是 0∉C0 \notin C。通过II、p. 36的定理 1,EE上存在连续的线性形式f≠0f \neq 0,使得CC中存在f(z)>0f(z) > 0。然后,对于所有 x∈Ax \in A 和 y∈By \in B,我们有 f(x)>f(y)f(x) > f(y)。写α=inf⁡x∈Af(x)\alpha = \inf_{x \in A} f(x); α\alpha是有限的,我们对所有x∈Ax \in A有f(x)≥αf(x) \geq \alpha,对所有y∈By \in B有f(y)≤αf(y) \leq \alpha;封闭的超平面 HH 与方程 f(z)=αf(z) = \alpha 将 AA 与 BB 分开。

注 07FO

— 1) 超平面 HH 不满足 AA (II, p. 15, 命题 1; 如果 AA 和 BB 是两个凸非空*开* 集合不满足则存在闭超平面将 AA 严格与 BB 分开。 2) 然而,当BB不开时,即使EE是有限维,即使A‾\overline{A}不满足B‾\overline{B},也不一定存在将AA与BB严格分开的闭超平面。 (II,p. 78,练习 12)。

引用了 2

引用了 II § 2. 。凸面集合, § 5. 。凸面分离集合

定义 3 07FP

— 对于向量空间 EE的子集* AA ,超平面* HH 被称为 AA的支撑超平面,*如果* HH 包含至少有一个点 AA 和 AA 的所有点 位于 HH 的同一侧。

令ff为EE上的线性形式,且与零不相同;如果说方程 f(x)=αf(x) = \alpha 的超平面是AA 的支持超平面,则意味着α\alpha 是集合 f(A)⊂Rf(A) \subset \mathbf{R} 的最小的或最大的成员。在其他字中,存在与方程f(x)=0f(x) = 0的超平面平行的AA的支持超平面,当且仅当集合f(A)f(A)的界限之一是有限的并且属于到f(A)f(A)。

命题 2 07FQ

— 让 AA 成为拓扑向量空间 EE的非空紧致子集。 对于每个闭合的超平面 HH 在 EE,*存在* AA 平行于 HH的支持超平面。

因为,如果f(x)=γf(x) = \gamma是HH的方程,其中ff是EE中的连续线性形式,则ff到AA的限制是连续的,因此有界并在AA中达到其界限(GT, IV, § 6.1,第 1)。

这说明AA存在一两个平行于HH的支撑超平面;第一种情况只有当AA完全包含在与HH平行的超平面中时才会出现。

命题 3 07FR

— 在拓扑向量空间 EE 中,*令* AA 为闭凸集合,且具有非空内部。然后AA的每个支撑超平面都被关闭,并且AA属于的每个边界点到AA的至少一个支撑超平面。

引用了 1

引用了 II § 2. 。凸面集合

AA 的每个支撑超平面都是封闭的,因为 AA 的所有点都在超平面的同一侧(II,p. 15,道具 17)。另外,如果x0x_0是AA的边界点,则x0x_0不会属于到开非空凸集合A∘\overset{\circ}{A}; 之后th。 II、p. 36中的1个存在超平面HH,且包含x0x_0不满足A∘\overset{\circ}{A}。由于 AA 是 A∘\overset{\circ}{A} 的闭包(II、p. 14,根据第 1 条到第 16 条),它由第 16 条命题得出。 HH是AA的支持超平面的II、p. 15的17。

3. 局部凸空间中凸集合的分离

命题 4 07FS

— 令AA为局部凸空间EE中的闭非空凸集合,并令KK为EE中的紧致非空凸集合,且不满足AA。那么存在一个封闭的超平面HH,它将AA与KK严格分开。

引用了 2

引用了 II § 4. 。局部凸空间, § 5. 。凸面分离集合

因为EE中存在0的开凸邻域VV,使得A+VA + V和K+VK + V不满足(GT,II, § 4.3,道具4)。由于A+VA + V和K+VK + V在EE中是凸且开的,道具。 II、p. 37的1表明,存在一个封闭的超平面HH,将A+VA + V与K+VK + V严格分开,aa更不必说AA与KK严格分开。

注 07FT

In a Hausdorff locally convex space EE, let AA and BB be two closed non-empty convex sets that are disjoint, if EE is finite dimensional then there exists a closed hyperplane that separates AA from (II, p. 78, exerc. 13); but this conclusion is not necessarily true when EE is of infinite dimension (II, p. 78, exerc. 10 and 11).

引用了 1

引用了 § 5. 。凸面分离集合

推论 1 07FU

— 在局部凸空间中,每个闭凸集合AA是其包含的闭半空间的交。

事实上,对于每个点x∉Ax \notin A,都存在一个封闭的超平面,它将xx与AA严格分开(使用命题4)。

推论 2 07FV

— 在 Hausdorff 局部凸空间中,每个紧凸集合 AA 都是闭半空间的交,其中包含是由 AA 的支持超平面确定的。

引用了 2

引用了 II § 6. 。弱拓扑, V § 2. 。希尔伯特矩阵中的正交族空间

对于,设 x0∉Ax_0 \notin A; {x0}\{ x_0 \} 是闭的,因此存在一个闭的超平面 HH,它将 x0x_0 与 AA 严格分开(命题 4);令 f(x)=αf(x) = \alpha 为 HH 的方程(ff 连续线性形式),并假设 f(x)>αf(x) > \alpha 对于所有 x∈Ax \in A。如果我们放入γ=inf⁡x∈Af(x)\gamma = \inf_{x \in A} f(x),f(x)≥γf(x) \geq \gamma包含AA定义的半空间,是由方程f(x)=γf(x) = \gamma的支持度超平面决定的,而不是包含x0x_0; 从而推论。

有可能,一个不紧且没有内部点的闭凸集合,在局部凸空间中,没有任何闭支撑超平面 (II, p. 86, exerc.18 : cf. 还有 V, p. 71, exerc. 11)。

推论 3 07FW

— 在局部凸空间中,每个线性簇 MM 的闭包是包含 MM 的闭包超平面的交。

对于所有x∉M‾x \notin \overline{M},令HH是一个封闭的超平面,将xx与M‾\overline{M}严格分开;

因此M‾\overline{M}平行于HH;闭合的超平面 H1H_1、包含 M‾\overline{M} 且与 HH 平行,则不存在包含 xx。推论如下。

推论 4 07FX

设CC为局部凸空间EE中的闭凸集合。 EE的子集AA包含在CC中,当且仅当,对于EE中的每个实值连续仿射函数uu,使得u(x)⩾0u(x) \geqslant 0对于CC中的所有xx,我们有u(y)⩾0u(y) \geqslant 0 适用于 AA 中的所有 yy。

条件显然是必要的。反之,我们证明它是充分的;如果点x∈Ax \in A不包含在CC中,则存在等式f(z)=αf(z) = \alpha的闭超平面,严格地将xx与CC分开;如果我们假设例 f(x)<αf(x) < \alpha,则连续仿射函数 u=f−αu = f - \alpha 与……矛盾假设。

推论 5 07FY

在局部凸空间EE中,顶点00的每个凸锥CC的闭包是由经过00的闭超平面确定的闭半空间包含CC的交。

引用了 1

引用了 II § 2. 。凸面集合

对于 C‾\overline{C} 来说,是一个顶点为 00 的凸锥(II,p. 13,道具 14)。对于x∉C‾x \notin \overline{C},存在一个封闭的超平面HH,它将xx与C‾\overline{C}严格分开(命题4)。现在只需应用以下引理:

引理 1 07FZ

— *如果顶点为 00 的圆锥体 AA 包含在由超平面 HH 确定的开半空间中,则它包含在由超平面 H0H_0 确定的闭半空间中,该闭半空间与 HH 平行并穿过 00。

设f(z)=αf(z) = \alpha与α<0\alpha < 0为HH的方程,则f(z)=0f(z) = 0为H0H_0的方程。如果存在z∈Az \in A使得f(z)<0f(z) < 0,那么就会存在λ>0\lambda > 0,使得f(λz)=αf(\lambda z) = \alpha,并且作为λz∈A\lambda z \in A,这将与假设矛盾。

4. 近似凸函数

命题 5 07G0

设XX为局部凸空间EE中的闭凸集合。那么XX中定义的每个下半连续凸函数ff都是EE中连续仿射线性函数的限制到XX的函数族的上包络线。

引用了 2 · 被以下引用 1

引用了 II § 2. 。凸面集合, § 5. 。凸面分离集合

被以下引用 命题 6

对于点(x,t)(x, t)的集合A⊂E×RA \subset E \times \mathbf{R},使得x∈Xx \in X和t⩾f(x)t \geqslant f(x)是凸的(II,p. 17,命题19)并且是闭的,因为函数(x,t)↦f(x)−t(x, t) \mapsto f(x) - t是下半连续的。然后令xx为XX中的任意点,并令a∈Ra \in \mathbf{R}满足a<f(x)a < f(x)。由科。 II、p. 38中的1,E×RE \times \mathbf{R}中存在闭超平面HH,即包含(x,a)(x, a)且不满足AA。 E×RE \times \mathbf{R} 上的每个线性连续形式为形式

(z,t)→u(z)+λt, (z, t) \to u(z) + \lambda t ,

其中λ∈R\lambda \in \mathbf{R}和uu是EE上的连续线性形式,因此HH有一个方程形式u(z)+λt=αu(z) + \lambda t = \alpha,而HH包含(x,a)(x, a)我们有α=u(x)+λa\alpha = u(x) + \lambda a。现在点 (x,f(x))∈A(x, f(x)) \in A 不会属于到 HH,因此λ≠0\lambda \neq 0。除以−λ-\lambda,如有必要,我们可以将HH的方程写为t−a=u(z−x)t - a = u(z - x)。作为f(x)−a>0f(x) - a > 0,因此,对于所有z∈Xz \in X,我们有f(z)>u(z−x)+af(z) > u(z - x) + a,这证明了命题。

注 1 07G1

它来自道具。 5. ff是函数的有向*递增*族的上包络线,它是函数的限制到XX,在EE中是连续且凸的。

注 2 07G2

进一步假设 XX 是一个顶点为 0 的封闭凸锥体,并且 ff 是*正齐次*。那么ff是函数族的上层信封,它是EE中*连续线性形式*的限制到XX。例如,令(uα)(u_\alpha)为EE中的连续仿射线性函数族,其中限制至XX以ff作为其上包络线。放入uα=vα+λαu_\alpha = v_\alpha + \lambda_\alpha,其中λα∈R\lambda_\alpha \in \mathbf{R},并且vαv_\alpha是EE中的连续线性形式。我们有λα=uα(0)≤f(0)=0\lambda_\alpha = u_\alpha(0) \leq f(0) = 0。另一方面,如果x∈Xx \in X,对于每个μ>0\mu > 0,我们有,

μ−1λα+vα(x)=μ−1(λα+vα(μx))=μ−1uα(μx)≤μ−1f(μx)=f(x) \mu^{-1} \lambda_\alpha + v_\alpha(x) = \mu^{-1} (\lambda_\alpha + v_\alpha(\mu x)) = \mu^{-1} u_\alpha(\mu x) \leq \mu^{-1} f(\mu x) = f(x)
因此uα≤vα≤fu_\alpha \leq v_\alpha \leq f位于XX中,因此ff是vαv_\alpha的上包络线。

注 3 07G3

EE中连续仿射函数的限制到XX是函数,即XX中的仿射(即凹凸II、p. 17);但也有可能在紧凸集合X⊂EX \subset E中存在连续仿射函数,而不是连续仿射函数*in*EE(II,p. 78,exerc)的限制到XX。 II,c))。然而:

引用了 2

引用了 II § 2. 。凸面集合, § 5. 。凸面分离集合

命题 6 07G4

令 ff 为 Hausdorff 局部凸空间 EE 的紧凸集合 XX 中的上半连续仿射函数。令LL为EE中连续仿射函数的限制至XX的集合; h∈Lh \in L的集合L′L',使得所有x∈Xx \in X的h(x)>f(x)h(x) > f(x),然后是递减定向,并且其下包络线等于ff。

引用了 2

引用了 II § 2. 。凸面集合, 命题 5

我们可以假设XX非空。令u,vu, v为LL的两个元素,使得u(x)>f(x)u(x) > f(x)和v(x)>f(x)v(x) > f(x)适用于所有x∈Xx \in X,并令bb为常数,即uu和vv的上界。令UU(或VV)为X×RX \times \mathbf{R}的点(x,t)(x, t)的紧凸集合,使得u(x)≤t≤bu(x) \leq t \leq b(或v(x)≤t≤bv(x) \leq t \leq b),并令FF为集合 (x,t)∈X×R(x, t) \in X \times \mathbf{R}使得t≤f(x)t \leq f(x); FF 是凸的并且在 X×RX \times \mathbf{R} 内闭合。 U∪VU \cup V的凸包络KK不满足FF,因为U∪VU \cup V包含在(x,t)∈X×R(x, t) \in X \times \mathbf{R}的集合中,使得f(x)<tf(x) < t、集合是凸的并且不满足FF。由于KK是紧致的(II,p. 14,道具15),我们可以通过E×RE \times \mathbf{R}中的闭超平面HH严格地将FF与KK分开。对于每个x∈Xx \in X,超平面HH严格地将(x,f(x))(x, f(x))与(x,b)(x, b)分开,*因此*在单个点w(x)w(x)中满足线{x}×R\{ x \} \times \mathbf{R};因此HH是连续仿射函数的图,其限制ww到XX是LL的成员,即uu和vv的下界并且满足不等式 w(x)>f(x)w(x) > f(x) 对于所有 x∈Xx \in X。这证明集合L′L'是递减有向。 II、p. 39的第5条命题应用于−f-f表明ff是L′L'的下包络线。

推论 07G5

令ff为XX中的连续仿射函数;则存在LL的元素的序列(hn)(h_n)在XX中均匀收敛到ff。

对于,道具。 6 和 Dini 的定理(GT,X, § 4.1,第 1)表明,对于所有nn,都存在hn∈Lh_n \in L,使得f≤hn≤f+1/nf \leq h_n \leq f + 1/n。

习题

参见习题为 § 5。

Google 翻译生成的粗略草稿,质量较低。术语依照术语表,但句子可能有误;之后会由仔细的译文取代。